对于那些还没有电动汽车的人来说，强大的基础设施似乎并不重要。毕竟，研究表明，在发达市场，多达 90% 的充电发生在家庭中。然而，事实上，剩余的充电百分比至关重要。送货卡车和出租车的司机、公寓楼的居民、上大学路上的学生、度假的家庭以及无数其他人都了解到，在公共充电稀缺或不可靠的情况下，驾驶电动汽车可能是一项艰巨的任务。例如，2022 年的一项调查表明，62% 的电动汽车车主对电动汽车续航能力非常焦虑，以至于他们有时会缩减旅行计划。

  这对政策制定者来说已经不是什么秘密了。国际能源署最近的一份简报表明，在中国，投资充电基础设施对电动汽车成功的影响是向电动汽车购买者提供补贴的四倍。

  这些都是我们几十年来一直在努力解决的问题。早在 1992 年，我们与他人共同创立了 AC Propulsion，该公司提供 tZero，这是一款高性能电动跑车，其基本技术和设计后来被整合到最初的特斯拉 Roadster 中。从那以后的几年里，我们思考了很多关于如何制造人们真正想要拥有和驾驶的车辆。

  当我们询问潜在的电动汽车车主是什么限制了电动汽车的采用时，他们通常会指出充电站的使用受到限制，尤其是快速公共充电。拥有这些充电站的运营商也这么说，他们还提到了高昂的设备成本——一个带有四个端口的直流快速充电站的成本可能在 470,000 美元到 725,000 美元之间。他们说，若设备成本更低，他们会安装更多的充电站。这可能是一个良性循环：充电业务会做得更好，电动汽车车主会受益，更多的人会考虑购买电动汽车。

  问题是，电动汽车充电能否更经济、更高效地进行？更具体地说，有没有很好的方法降低充电站的复杂性并降低快速充电站的高成本，从而在不牺牲安全性的情况下明显提高电动汽车的普及率？

  在解释我们的解决方案之前，让我们回顾一下一些基础知识，从最基本的开始。充电站是具有一个或多个充电端口的物理位置，每个端口可以为单个 EV 充电。每个端口可能具有多种类型的服务连接器，以支持不同的 EV 标准。

  该端口的功能是将来自电网的交流电转换为直流电，然后施加到电池中。必须控制充电电流，以便始终满足以下标准：电池单元的电压不允许超出临界限值;电池温度不允许超出预设阈值;并且从电力公司汲取的电流一定要保持在一定值以下。如果不满足前两个条件，电池可能会损坏或着火。如果不满足第三个条件，充电器或实用程序可能会过载，因此导致断路器跳闸或保险丝熔断。

  现有 EV 充电器的一个关键安全功能是 [蓝绿色] 的隔离链路。在该电路中，高频变压器在电网电源和电动汽车电池之间提供物理隔离。隔离链路位于车辆的车载充电器内，用于 2 级充电（顶部）。对于 3 级或快充，链路位于充电站内（底部）。克里斯·菲尔波特

  除了这些要求外，充电器还必须保护用户免受电击。这并不总是那么容易。充电器在恶劣的环境中运行，通常是户外，湿度水平差异很大，并且有几率存在受污染的水。设备也可能损坏甚至被破坏。

  久经考验的防止触电的方法是使用电气接地。接地正如它听起来的样子：与大地的直接物理连接，为电流提供路径。当存在这样的路径时，杂散电流（例如在机箱中）会直接流向地面，避开可能站在附近的任何人。在充电的电动汽车中，充电电缆中的绿色地线成为接地路径。（因为电动汽车有橡胶轮胎，所以汽车本身不能作为路径。

  如果不存在这样的路径，会发生啥情况？如果电动汽车充电器的接地连接断开或受损，充电接口必须有备用解决方案。今天，这种解决方案被称为电流隔离。在电流隔离中，电气系统的某些部分之间不允许有直接的导电路径。

  如果 EV 充电器没有隔离链路，并且接地电路断开，并且电池和车身之间有电流路径，则触摸车辆的人可能会受到可能致命的电击 [上图]。然而，使用 Wally Rippel 设计的简单且廉价的“双接地”电路 [下图，蓝绿色]，检测器电路在闭合使电流流动的接触器之前确认接地完好无损。克里斯·菲尔波特

  充电器电流隔离的硬件称为隔离链路，它的工作原理是将两个电路物理和电气分离，因此电位差不会导致电流从一个电路流向另一个电路。在电动汽车充电的情况下，这两个电路一种原因是电网，另一方面是车辆电池及其相关电路。

  这种隔离能成为名副其实的救命稻草。假设电动汽车的电池漏液。泄漏的液体是导电的，因此能在电池电路和车辆底盘之间产生电流路径。如果接地电路恰好断开，那么，假如没有隔离，车辆的底盘将处于高电压。因此，站在地上触摸汽车的人可能会受到可能致命的电击（参见插图“电击危险”）。使用隔离后，不会有电击危险，因为不存在从电力公司到车身的电流路径。

  只有一个组件可以在传输千瓦级功率的同时在两个电路之间提供分离，即变压器。直接连接到低频市电的变压器又重又笨重。但对于重量和尺寸至关重要的电动汽车充电，变压器要小得多——它们甚至不到标准积木的一半大小。这是因为充电站使用逆变器将直流电转换为高频交流电。然后将高频交流电施加到小型变压器上，从而提供电流隔离。最后，变压器的输出通过高频整流电路变回直流，完成该过程（如“隔离链接...”所示。插图）。

  我们将在下一节中详细的介绍这种电源转换，但这可以让您了解当今如何安全地进行充电，无论是在公共充电器还是在家庭车库中通过汽车的车载充电器。

  几乎每辆电动汽车都有一个车载充电器 （OBC），当车辆在家中充电时，它可以执行 AC-DC 转换功能，就像公共快充器一样。顾名思义，OBC 驻留在车辆中。它能够为电池提供约 5 至 22 千瓦的功率水平，具体取决于车辆品牌和型号。与快速充电相比，这种充电率较低，通常仅适用于公共充电器，公共充电器的功率从 50 kW 开始，最高可达 350 kW。

  如今，所有充电器（车载和车载）都进行了电气隔离。电流隔离集成到电源转换硬件中，无论是在汽车中还是在公共充电器中。

  公共充电站中的单个 300 kW 端口包括约 90,000 美元的电力电子设备，其中约 54,000 美元用于隔离链路。

  EV 充电器的硬件绝大多数都是为您的智能手机或笔记本电脑充电的开关电源的更大、更高功率版本。早一点的时候，我们给出了 EV 中功率转换工作原理的基本概念，但实际上它比这更复杂一些。对于 EV，功率转换分四个阶段进行（插图，“电击危险”）。在第一阶段，交流电（单相或三相）通过有源整流器转换为直流电。在第二阶段，来自第一级的直流电通过称为逆变器的电路转换为高频交流方波（想想经典的正弦波，但采用方形而不是蜿蜒的形状）。这种高频的原因是，在第三级，变压器将交流电转换为不同的电压，而高频使该变压器比较低频率（如电网）的变压器更小、更轻。最后，在第四阶段，高频整流器将高频交流电转换回直流电，然后将其发送到车辆的电池。第二级、第三级和第四级共同构成隔离链路，提供电流隔离（参见图示“隔离链路将市电与 EV 电池分开”）。

  这种隔离链路非常昂贵。它约占典型电动汽车电力电子设备成本的 60%，也占充电器功率损耗的 50% 左右。我们估计，物料清单和电流隔离充电端口的组装成本约为每千瓦 300 美元。因此，公共充电站中的单个 300 kW 端口包括约 90,000 美元的电力电子设备，其中约 54,000 美元用于隔离链路。

  算一算：一个具有四个端口的充电站包括大约 360,000 美元的电力电子设备，其中超过 200,000 美元用于电流隔离。要了解一个国家/地区（例如美国）的总成本，请将每个充电器的电力电子设备成本降低 60% 乘以美国 61,000 多个公共电动汽车充电站的多个端口。

  对于电动汽车的车载充电器，隔离链路不仅增加了成本，而且增加了体积。充电能力越高，隔离系统的成本和尺寸就越大。这就是怎么回事您永远没办法使用 OBC 进行快充的原因——成本和尺寸都太大，无法将其包含在车内。

  这些都是我们提议取消电流隔离的根本原因之一。能节约数十亿美元的资本和能源费用。硬件可靠性会提高，因为充电器将使用大约一半的组件。消除电流隔离（即消除充电器硬件的第二、第三和第四阶段）也将大大减小车载充电器的尺寸，并使它们可处理快充，也称为 3 级电源。这是最高的充电水平，提供 100 kW 或更高的直流电流。

  消除隔离链路后，我们就能采用下一步行动：让车辆的车载逆变器为电机供电以进行驱动，也为电池充电提供电力。通过让汽车的逆变器发挥双重作用，我们将再次将剩余成本降低一半。

  这些都不是什么新想法。2008 年上市的初代特斯拉 Roadster 以及 AC Propulsion 制造的全部的产品都成功使用了非电流隔离的集成充电，其中充电功能由逆变器执行。在这些交流推进车辆中，标称电池电压约为 400 伏直流电，就像当今大多数电动汽车一样。

  消除隔离链路的要求并不是很复杂或昂贵。特别要解决两个问题：触电风险以及市电和电池电压之间的兼容性。

  首先，让我们一起看看电击危险。如果同时存在三种情况，则可能会发生触电：车辆未接地，未接地的车辆通电，并且已形成电流泄漏路径（参见图示“电击危险”）。例如，如果电池的电解液开始泄漏，在电池和车身之间形成一条路径，则可能会形成泄漏路径。由于所有 EV 充电系统都包含接地连接，因此只有当接地连接断开或受损时，泄漏路径才是一个问题。

  所有充电系统，无论是车载还是车载，都包含称为安全接触器的组件，只有在进行各种电子检查后，才能为电池供电。这些检查包括接地验证，用于测试接地连接是否完好无损。如果接地连接缺失或故障，则不会为电池充电。

  LEVEL 1充电使用标准的单相 115 伏交流电作为充电器输入。因此，充电率限制为小于 2 kW。为了给 100 kWh 的电池充满电，总充电时间约为 80 小时。

  LEVEL 2充电器是大多数电动汽车车主现在车库中的充电器。在美国，2 级使用单相 208 或 240 V AC 作为充电器输入;在欧洲，输入功率为 380 V AC，三相。最大充电速率受公用事业服务或车载充电器的额定电流限制。在 6 kW 时，过夜充电通常能增加 200 英里的续航里程。

  LEVEL 3，也称为快充或直流充电，使用非车载充电器将三相市电转换为稳压直流电，以直接应用于车辆电池，绕过车载充电器（见图 3）。最大充电速率通常从 50 kW 开始，现在扩展到约 360 kW。充电器正在开发中，将支持高达 600 kW 的功率，这在某种程度上预示着每分钟充电可增加约 30 英里的驾驶电量。

  对于 2 级充电（例如在家庭车库中），安全接触器位于称为电动汽车供电设备的模块中。EVSE 通常有一个大鞋盒的大小，能安装在墙壁或柱子上。在公共快充的情况下，安全接触器是硬件不可或缺的一部分。

  这意味着移除电流隔离不会造成电击危险。如果车辆接地并且泄漏导致车辆底盘处于高电压，则由此产生的对地电流浪涌将立即使充电器中的断路器跳闸。

  那么问题就变成了：接地验证是不是能够相信是绝对的故障安全？换句话说，我们能否保证在接地电路断开或受损时永远都不可能通电——即使接地验证电路内的组件发生故障？从道德和法律的角度来看，这种绝对保证是必要的。去除现有的安全系数（例如电流隔离）是不可接受的，除非它被提供净安全增益的东西所取代。

  这种安全级别能够最终靠双接地结合接地连续性检测来提供（参见图示“双接地电路防止冲击”）。这种双接地方法基于（您猜对了）两根接地线。使用这种方案，如果一根地线被切断，另一根地线确保车辆仍然接地。为了进一步提升安全性，即使一根接地线仍然完好无损，也会检测到破损的接地并关闭电源。

  检测接地线连续性既不昂贵也不复杂。我们中的一个人 （Rippel） 大约在一年前开发了一个原型检测电路。该系统使用两个小型变压器，一个将信号注入其中一根地线，另一根用于检测第二根地线中的信号。如果第二个变压器未检测到信号，则接触器（例如 EVSE 中的接触器）会打开，因此无法通电。使用此电路，总系统在一个或多个组件出现故障时保持故障安全。

  从字面上看，这种安排使充电加倍安全。此外，由于两个接地电路相互独立，因此没有一个故障会导致两个接地都失效。这降低了接地故障的概率：如果单个接地故障的概率为P，则两个接地故障的概率为P2。通过添加一个电路，感应到两个接地形成一个完整的电路，安全性得到了进一步提升;一旦两个接地中的一个损坏或断开，电源就会关闭。

  如果我们要摆脱电流隔离，消除触电风险并不是我们一定要处理的唯一问题。此外，还存在电压问题，具体来说，需要防止公用事业公司的交流线路电压与 EV 电池的交流线路电压不匹配。

  电压不匹配在一种情况下会成为一个问题 — 当输入市电电压超过电池电压时。如果发生这种情况，即使是瞬间，不受控制的电流也会流入电池，可能会损坏电池或导致断路器跳闸。

  这个问题的解决方案是一种称为 buck regulator （或 buck converter） 的器件。降压稳压器在功能上类似于降压变压器，不同之处在于它处理直流电流而不是交流电。如果市电的交流电压超过电池电压，降压稳压器会像变压器一样工作并将其降压。与相同额定功率的隔离链路相比，降压稳压器的成本低于 10%，功率损耗低于 20%。

  在这一点上，我们大家都希望您理解为什么现有的车载和公共电动汽车充电四阶段计划不必要地复杂且昂贵。四个阶段中的三个可以完全消除。这将留下一个有源整流器级，必要时，后面是一个低成本的降压稳压器。为了将安全性提高到与现有电动汽车充电设备一样高的水平，我们将增加一个具有接地连续性检测的双接地。我们将这种改进的方法称为直接功率转换。

  使用 DPC 办法能够将设备成本降低一半以上，同时将能源效率提高 2% 到 3%。这正是我们在电动汽车革命的此阶段所需要的，因为它将使运营商更能负担得起电动汽车充电站，并在短短几年内建造数千个这样的充电站，而不是十年或更长时间。它还将使电动汽车对那些因为充电基础设施的薄弱状态而拒绝购买电动汽车的人更具吸引力。

  现在是时候简化 EV 充电过程并使其更具成本效益了。但是，假如没有技术社区对电流隔离的讨论，这必然不会发生。所以让我们开始讨论吧！我们始终相信，消除隔离链路应该是迈向 EV 转型迫切地需要的强大充电基础设施的第一步。